Missions des hélicoptères drones

Nous évoquons ici les différentes missions pour les hélicoptères drones : 1. Recherche et sauvetage (figure 1.4) :

• Les hélicoptères drone peuvent effectuer rapidement et systématiquement des re-cherches dans un secteur très grand pour localiser des victimes d’un accident ou d’une catastrophe naturelle .

• Ils peuvent focaliser les efforts de la recherche et aider l’équipage de sauvetage à l’opération de sauvetage au lieu de longue opération de recherche .

• Ils peuvent plus aisément être déployés dans les conditions atmosphériques qui empêcheraient normalement la recherche et le sauvetage pilotés par l’homme.

• Ils peuvent être sacrifiés en conditions très dangereuses pour sauver des vies hu-maines. Les exemples typiques incluent le vol près d’un incendie de forêt pour recher-cher les individus perdus, rerecher-cherchant dans des secteurs contaminés, et identifiant les fuites radioactives potentielles après un accident de réacteur nucléaire.

2. Surveillance (figure 1.5) :

• Les hélicoptères drones peuvent patrouiller un secteur et rapporter l’activité intéres-sante ou peu commune.

• Ils peuvent automatiquement localiser et identifier une activité suspecte et effectuer une détection efficace visuelle des objets ou des personnes impliqués jusqu’à l’arrivée des forces terrestres.

3. Contrôle de l’application de la loi (figure 1.6) :

• Les drones peuvent voler au-dessus de véhicules pour aider la police dans des poursuites ou des opérations de recherche de criminels.

Figure 1.4: Utilisation de drones dans le recherche et le sauvetage

Figure 1.5: Utilisation de drones pour la surveillance

• Posté sur des bâtiments dans des secteurs urbains, ils peuvent être envoyés en quelques secondes pour prendre des images de points sensibles.

4. Inspection (figure 1.7) :

• Les hélicoptères drones peuvent inspecter les lignes électriques à haute tension dans des sites lointains ou difficiles d’accès.

• Ils peuvent inspecter de grandes structures telles que des ponts et des barrages de manière rentable.

• Ils peuvent être rapidement sollicités pour inspecter des bâtiments et des routes pour déceler les dommages potentiels après un tremblement de terre.

• Ils peuvent localiser les matériaux dangereux dans des emplacements de rebut par le transfert d’images aériennes aux experts humains ou par l’identification automatique de décharges de conteneurs ou de matériaux par la vision à bord.

Figure 1.6: Utilisation de drones pour faire appliquer la loi

Figure 1.7: Utilisation de drones pour l’inspection 5. Cartographie (figure 1.8) :

• Les hélicoptères drones peuvent construire des cartes topologiques plus précises que l’avion conventionnel avec beaucoup d’économie.

• A la différence des avions, ils peuvent voler près de la terre tout en portant des appareils photographiques ou des sondes pour construire des cartes en 3D de haute résolution.

• Ils peuvent voler dans des secteurs plus petits et plus contraints pour construire des cartes fortement détaillées.

6. Cinématographie (figure 1.9) :

• Les hélicoptères drones peuvent être la caméra ou l’œil-dans-le-ciel d’un directeur (artistique).

• Ils peuvent voler avec précision grâce à l’ordinateur qui permet de se passer de pilotes humains habiles pour la photographie aérienne.

Figure 1.8: Utilisation des drones dans le domaine de la cartographie

• Ils peuvent automatiquement dépister des sujets avec leurs traqueurs vision basés à bord d’objet.

Figure 1.9: Utilisation de l’hélicoptère drone dans le domaine de la cinématographie

1.2 Analyse bibliographique

Ces dernières années, la conception et la mise au point des algorithmes de commande pour les hélicoptères drones a fait l’objet d’un certain nombre d’études. Ceci est dû au besoin de produire des véhicules aériens manœuvrables et autonomes, pour des applications militaires ou civiles. Alors qu’ils sont plus lents et moins efficaces que des avions, les hélicoptères sont capables de décollages et d’atterrissages verticaux, de vols stationnaires, et en général ils sont plus manœuvrables dans des espaces limités. Par conséquent, les hélicoptères

représentent l’une des meilleures plates-formes pour des opérations dans des environnements urbains ou encombrés. Cependant, à bien des égards la dynamique de l’hélicoptère est plus compliquée que celle d’un avion à voilure fixe : l’hélicoptère est en soi instable sur certaines plages de vol et présente une dynamique fortement couplée, et les caractéristiques de vol changent nettement en dehors de l’enveloppe de vol.

Le principal objectif de la plupart des articles traitant des problèmes de modélisation d’un hélicoptère drone est d’identifier un modèle linéaire à 6 degrés de liberté grâce à une série de données enregistrées lors de quelques essais en vol ou en soufflerie.

Le problème de commande des hélicoptères est une tâche délicate puisque la dynamique du système est fortement non linéaire et pleinement couplée, et également sujette aux incertitudes paramétriques. Souvent, lors de manœuvres complexes de l’hélicoptère, la force de poussée est une fonction des angles de roulis, de tangage et de lacet. Les entrées de commande sont invariablement limitées aux variations longitudinales des pales du rotor principal et du rotor de queue, et à la commande de puissance du moteur. En outre, le rotor de queue doit compenser exactement le couple de rotation dû au rotor principal afin que l’hélicoptère maintienne un angle de lacet régulier. Certains paramètres du système dépendent des conditions d’environnement (par exemple des constantes aérodynamiques) ou de l’hélicoptère (par exemple la pente de la courbe de portance). Les paramètres inconnus du système rendent également les conditions d’équilibre de l’hélicoptère inconnues.

Le livre de Wayne Johnson [23], couvre largement la théorie de la modélisation de l’hé-licoptère. L’auteur explique tous les détails nécessaires pour obtenir un modèle d’hél’hé-licoptère. Le livre de Prouty [8] donne une introduction à la dynamique d’hélicoptère concernant le rotor. Une approche de modélisation de l’hélicoptère adaptée à la simulation est donnée dans [24]. Le livre de Leishman [25] présente la dynamique des rotors. La NASA a développé dans les années 80 un modèle d’hélicoptère de test [26]. Cette publication ne décrit pas l’effort de modélisation mais présente un modèle qui est utilisé dans l’environnement de simulation.

Dans [24], l’hélicoptère est défini comme étant constitué de plusieurs sous-systèmes (fu-selage, rotors, moteur, etc.) interagissant entre eux. Les équations gouvernant le comportement de ces interactions sont présentés sous la forme d’équations différentielles non linéaires :

dx

dt ^{= f(x}, u, t) (1.1)

avec les conditions initiales x(0) = x₀. Dans (1.1), x(t) est le vecteur d’état, u(t) est le vecteur d’entrée de commande, t est le temps et f(.) est une fonction non linéaire du mouvement de l’hélicoptère, des entrées et des perturbations externes. Afin de trouver

une solution au problème de stabilité de l’hélicoptère, une linéarisation autour d’un point de fonctionnement est proposée dans [24]. Ce point de fonctionnement est défini comme une condition particulaire d’équilibre (Trim condition) du système donné par l’expression

f(xe, ue) =0 où l’indice e concerne la condition d’équilibre.

Dans [24] et [?], les dérivées du mouvement sont utilisées afin de formuler la force totale et le couple total sous l’hypothèse d’une représentation du rotor comme étant un système complètement linéaire. Cette approche est basée sur l’idée que les forces et les couples aéro-dynamiques peuvent être exprimés comme une fonction analytique multidimensionnelle du mouvement du système par rapport à une condition d’équilibre. Pour les petits mouvements, les termes linéaires seront dominants et une approximation (linéarisation) pourra être faite.

Le travail de [27] présente une des premières validations d’un modèle mathématique complet d’un hélicoptère standard. Les auteurs décrivent l’élaboration d’un modèle dyna-mique pour l’hélicoptère EH-101. Ce modèle possède plus de 1600 paramètres distribués.

Dans [28], nous trouvons un système à 6 DDL correspondant aux trois forces dans les directions x, y et z et aux trois couples autour de chacune des directions précédentes. Le système est linéarisé en utilisant un développement en séries de Taylor. Il s’agit d’un système qui évolue près des conditions du vol stationnaire. Le vecteur d’état est donné par x=h

˙x ˙y ˙z φ p θ q r ^iT, où les trois premières composantes sont les vitesses dans les directions x, y et z, φ est l’angle de lacet, p est le taux de variation de l’angle de roulis, θ est l’angle de tangage et son taux de variation est q et finalement r est le taux de variation de l’angle de lacet. Le vecteur d’entrée est u =h

θM θT A₁ B₁ i

où θM et θT sont les angles de pas collectif des rotors principal et de queue et A₁et B₁sont respectivement les angles de pas cyclique latéral et longitudinal du rotor principal.

Dans [10] et [11], sont développées des commandes non linéaires utilisant les propriétés dissipatives, le modèle utilisé posséde 7DDL avec q = h

x y z φ θ ψ γ iT

où φ est l’angle de lacet, θ l’angle de tangage, ψ est l’angle de roulis et γ est l’angle d’azimut. Les auteurs utilisent un modèle lagrangien qui prend en considération la vitesse de rotation du rotor principal comme un degré de liberté. L’application de la commande non linéaire en utilisant les propriétés dissipatives se fait sur le modèle réduit de l’hélicoptère à 3DDL que nous allons utiliser pour l’étude de l’influence de la perturbation sur le comportement de l’hélicoptère.

Les auteurs de [29] présentent un modèle non linéaire de l’hélicoptère à 2DDL : ˙x₁= x₂ ˙x₂= a₀+a₁x₂+a₂x²₂+ (a₃+a₄x₄−^√a₅+a₆x₄)x²₃ ˙x₃= a₇+a₈x₃+ [a₉sin(x₄) +a₁₀]x²₃+u₁ ˙x₄= x5 ˙x₅= a₁₁+a₁₂x₄+a₁₃x²₃sin x₄+a₁₄x₅+u₂